CN103531889A - 一种小型宽带端射天线 - Google Patents

Abstract

一种小型宽带端射天线，其包括，一引向器；一激励器，所述激励器与所述引向器平行相对设置，且为两臂振子结构；一调谐器，所述调谐器两端跨接在两臂振子的内侧位置；一馈电巴伦，所述馈电巴伦采用微带线转平行双线结构，平行双线两输出端分别与所述激励器的两臂振子内侧相连；一反射器，所述反射器与所述激励器平行相对设置并与所述馈电巴伦的平行双线相连；所述引向器、激励器、反射器均采用弯折线结构；一电缆接头，所述电缆接头与所述馈电巴伦连接；一介质基板，所述引向器、增益调节器、激励器、调谐器、馈电巴伦及反射器均装设于所述介质基板。其同时实现了天线的小尺寸、宽频带和高增益。

Description

一种小型宽带端射天线

技术领域

本发明涉及一种小型宽带端射天线，具体是用于作为超高频射频识别手持机的小型天线终端。

技术背景

射频识别技术（RFID）是20世纪80年代发展起来的一种新兴自动识别技术，已经被广泛应用在物流、管理、收费、门禁等场合。射频识别技术是通过电磁波的发射和接收来实现无接触式的信息传递，并对所传递的信息进行识别和分类。射频识别系统的硬件组成主要包括两部分：读写器和标签。标签内存储了目标物的信息并附着在目标物体上，读写器发出电磁波照射标签所在区域，标签被照射后散射电磁波，散射的电磁波再被读写器接收。在射频识别的工作过程中，电磁波的收发决定着目标物信息能否被有效传递。目前，在射频识别技术中，超高频（UHF）射频识别技术发展迅速并被广泛应用，因为该技术利用超高频频段的电磁波作为信号载体，该频段电磁波具有优良的空间传输特性，可以实现对目标物的中远距离信息识别，可大大提高信息采集效率。

伴随着电子设备的小型化和便携化发展趋势，射频识别设备也同样需要满足这样的需求。目前，射频识别小型化设备是手持机，手持机可灵活的用于对标签信息的采集，如已堆放好的物品，只需工作人员手持便携设备对物品进行扫描，既可完成信息采集，因此，射频识别手持机有很大的应用前景。在手持机的硬件中，控制电路部分和信息处理部分都可以采用集成电路工艺或模块实现体积小型化，而天线所占用空间最大，因为天线的尺寸影响着天线的性能，如增益和带宽，通常减小天线尺寸会使天线增益降低，工作带宽减小。另外，手持机使用环境的变化也会使天线的工作频带发生偏移。因此，为了得到高性能的手持机设备，如何在保证天线增益的情况下设计小尺寸宽频带的天线是手持机小型化的关键问题。

目前，射频识别手持机通常采用小型化的微带天线，微带天线可以在微带板的法线方向得到较高的增益，但微带天线的横向尺寸较大，这样的手持机前方通常带有一块尺寸较大的垂直平板，外形笨重。

手持机天线还可以采用八木天线形式，八木天线是一种结构简单的定向天线，它可以在端射方向提供高增益，但八木天线的横向尺寸和纵向尺寸都较大，带宽也有限。八木天线的端射特性如应用在手持机中，同样可以提供较高的增益，并且可以免去手持机前方的垂直平板，使手持机外形更加小巧。限制八木天线在手持机中应用的主要问题是天线的尺寸太大，以及天线尺寸缩小所造成的工作频带窄、增益低，这些都是需要解决的主要难题。

发明内容

本发明提供了一种小型宽带端射天线，其包括，一引向器，所述引向器为置于天线最前端的振子结构；一增益调节器，所述增益调节器两端连接在所述引向器的中部；一激励器，所述激励器为两臂振子结构，且与所述引向器平行相对放置；一调谐器，所述调谐器两端跨接在两臂振子的内侧位置；一馈电巴伦，所述馈电巴伦采用微带线转平行双线结构，平行双线两输出端分别与所述激励器的两臂振子内侧相连；一反射器，所述反射器为振子结构，且与所述激励器平行相对设置，所述反射器的中部与馈电巴伦的底部相连；一电缆接头，所述电缆接头与所述馈电巴伦连接；一介质基板，所述引向器、增益调节器、激励器、调谐器、馈电巴伦、反射器均装设于所述介质基板。

在上述技术方案的基础上，所述引向器、增益调节器、激励器、调谐器、馈电巴伦、反射器均为金属材质。

在上述技术方案的基础上，所述引向器为若干个门形折线或蛇形曲线构成，且所述引向器可为对称结构或非对称结构。

在上述技术方案的基础上，所述增益调节器为一弯折线段或弧线段结构。

在上述技术方案的基础上，所述激励器的两臂振子为若干门形折线或蛇形曲线结构，且两臂振子可为对称结构或非对称结构。

在上述技术方案的基础上，所述调谐器为一弯折线段或弧线段结构。

在上述技术方案的基础上，所述馈电巴伦为微带结构的电磁耦合巴伦。

在上述技术方案的基础上，所述馈电巴伦正面为微带平行双线结构，其上端与两臂振子内侧连接，下端在大致四分之一波长位置处相互连接，所述馈电巴伦反面为微带线结构，其上端在馈电巴伦输出的位置折回，与正面的微带平行双线构成一并联开路枝节，其下端与电缆接头的芯线连接。

在上述技术方案的基础上，所述反射器为若干个门形折线或蛇形曲线构成，且所述反射器可为对称结构或非对称结构。

在上述技术方案的基础上，所述反射器的中部与所述馈电巴伦的微带平行双线的下端相连。

在上述技术方案的基础上，所述电缆接头的外皮与反射器中部相连。

在上述技术方案的基础上，所述引向器、增益调节器、激励器、调谐器、馈电巴伦、反射器可为平面结构或立体结构。

与现有技术相比较，本发明的引向器、激励器和反射器采用弯折线或蛇形线的振子结构，可以将八木天线的横向尺寸缩减到四分之一个工作波长。八木天线的输入阻抗由于耦合作用本身就比较小，缩小尺寸后会进一步减小，使其难以与50Ω匹配，采用调谐器可以引入并联谐振，可显著增大阻抗，并且对调谐器的参数进行调节可以方便的调整天线的阻抗匹配。

八木天线的馈电为对称结构，通常馈电线缆为不平衡结构的同轴线，本发明使高频电流经由馈电巴伦送入激励器，在解决平衡馈电问题的同时馈电巴伦还可以显著增加天线带宽，这可从两个方面来解释，其一，馈电巴伦的微带线的折回端可等效为在激励器输入端并联一个开路枝节，开路直接引入的并联电抗的变化趋势与天线自身电抗的变化趋势相反，因此叠加后的效果是减小激励器输入电抗的起伏度，增加了阻抗带宽；其二是馈电巴伦与电缆接头连接的一端具有阻抗变换的作用，通过调节微带线特性阻抗可使天线在较宽频带内与50Ω良好匹配。

本发明还采用了增益调节器，可以在较小纵向尺寸下，调节引向器的相位，进而改变引向器与激励器之间的相位差，在天线尺寸不变的情况下实现最大增益。因此，本发明天线同时实现了小尺寸、宽频带和高增益。

附图说明

图1为本发明一种小型宽带端射天线整体结构图；

图2为本发明一种小型宽带端射天线正面视图；

图3为本发明一种小型宽带端射天线反面视图；

图4为本发明天线的电压驻波比曲线图；

图5为本发明天线的增益曲线图；

图6是本发明天线在902MHz的E面方向图；

图7是本发明天线在902MHz的H面方向图；

图8是本发明天线在915MHz的E面方向图；

图9是本发明天线在915MHz的H面方向图；

图10是本发明天线在928MHz的E面方向图；

图11是本发明天线在928MHz的H面方向图；

具体实施方式

请参考图1、图2和图3，本发明一种小型宽带端射天线，其包括引向器1，引向器1置于天线最前端，为若干对称的门形折线结构。增益调节器2，增益调节器2两端连接在引向器1的中部，为一弯折线段构成。激励器3，激励器3与引向器1平行相对放置，激励器3包含两臂振子301结构，两臂振子301为若干对称的门形折线结构。调谐器4两端跨接在两臂振子301的内侧位置，为弯折线段结构。馈电巴伦5为微带结构的电磁耦合巴伦，馈电巴伦5的正面为微带平行双线501结构，其上端与两臂振子301内侧连接，下端在大致四分之一波长位置处短路，馈电巴伦5的反面为微带线502结构，其一端与电缆接头8的芯线连接，另一端与正面的微带平行双线501构成并联开路枝节。

与激励器3平行相对设有反射器6，反射器6为若干个对称的门形折线结构，反射器3的中部与馈电巴伦5的微带平行双线501的下端相连。电缆接头8的外皮与反射器6中部相连。

同时，引向器1、增益调节器2、激励器3、调谐器4、馈电巴伦5、反射器6均为平面结构的金属材质，通过电路刻蚀工艺制作在介质板7的表面。引向器1、增益调节器2、激励器3、调谐器4、馈电巴伦5的微带平行双线501、反射器6全部装设于介质基板7的正面上，馈电巴伦5的微带线502装设于介质基板7的反面上。

激励器3采用弯折对称振子结构可以缩小天线的横向尺寸，但随着尺寸的缩小，弯折结构之间的间隙变的越来越小，电磁场耦合变地非常强烈，使得天线的输入电阻很小，而输入电抗的容性很大，天线难以与50Ω激励源匹配。在激励器3的两臂振子301内侧装设调谐器4可以提高天线输入电阻，并抵消容抗，调节调谐器4的尺寸可以实现天线与50Ω激励源的良好匹配。

引向器1和反射器6也采用弯折振子结构可以缩小天线的横向尺寸，但随着尺寸的缩小，引向器1上感应电流的相位会改变，影响八木天线的增益，通过在引向器1中部装设增益调节器2，可以调节引向器1上感应电流的相位，在限定较小的纵向天线尺寸下可使天线增益最大。

高频电流经由馈电巴伦5送入激励器3，馈电巴伦5可以增加天线带宽，这可从两个方面来解释，其一，馈电巴伦5的微带线的折回端可等效为在激励器3输入端并联一个开路枝节，开路直接引入的并联电抗的变化趋势与天线自身电抗的变化趋势相反，因此叠加后的效果是减小激励器3输入电抗的起伏度，增加了阻抗带宽；其二是馈电巴伦5与电缆接头连接的一端具有阻抗变换的作用，通过调节微带线特性阻抗可使天线在较宽频带内与50Ω良好匹配。

多项技术共同实施，可使天线的横向尺寸小于四分之一个工作波长，天线的纵向尺寸也可以小于四分之一个工作波长，同时天线还具有高增益和宽频带的特点。

1、仿真内容

请参考图4至图11。利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、增益及方向图进行了仿真。

2、仿真结果

图4是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。从图4可以看出，本发明天线工作在射频识别的超高频频段，电压驻波比小于2的范围为886～958MHz，带宽72MHz；电压驻波比小于1.5的范围为891～943MHz，带宽52MHz；915MHz的电压驻波比接近1。计算结果表明本发明天线具有更宽的工作带宽和优良的阻抗匹配，这样的工作带宽可以满足目前任何国家和地区超高频射频识别设备的频带需求，并且由于频带富余量大，天线具有抗频带扰动的能力。

图5是对实施例天线仿真得到的增益随工作频率变化的曲线。从图5可以看出，本发明天线在工作频带内具有较高的增益，增益高于5.5dB的范围为902～949MHz，而在射频识别常用频段902～928MHz，增益都高于5.9dB，而最大增益可以达到6.2dB。这对于小型化的手持机天线是非常可观的增益，可提高读取标签的效率和成功率。

图6～图11是对实施例天线仿真得到的E面方向图和H面方向图，分别给出了902MHz、915MHz和928MHz的方向图。方向图可以表征工作频带内天线在空间的辐射能量分布。从结果可以看到本发明天线在频带内具有良好的定向性以及优越的前后比，902MHz的前后比为17dB，915MHz的前后比为26dB，928MHz的前后比为20dB。此外，本发明天线的H面方向图比E面方向图具有更宽的波束，这说明手持机在垂直俯仰面内具有较大的读写范围，可降低对手持机使用姿态的要求，在非对准的情况下也可高效读取信息。

以上仅为本发明的最佳实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构、参数和频率进行修改，进而得到本发明天线的小型宽带端射特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (11)

1.一种小型宽带端射天线,其特征在于：其包括， 

一介质基板； 

一引向器，所述引向器设于所述介质基板一面,所述引向器为振子结构； 

一增益调节器，所述增益调节器两端连接在所述引向器的中部； 

一激励器，所述激励器为两臂振子结构，所述激励器位于介质基板上,且与所述引向器平行相对设置； 

一调谐器，所述调谐器两端跨接在两臂振子的内侧位置； 

一馈电巴伦，所述馈电巴伦设于介质基板的两面，一面为平行双线结构，另一面为微带线结构，且所述馈电巴伦平行双线两输出端分别与所述激励器的两臂振子内侧相连； 

一反射器，所述反射器为振子结构，且与所述激励器平行相对设置，所述反射器的中部与馈电巴伦的底部相连； 

一电缆接头，所述电缆接头与所述馈电巴伦连接。 

2.如权利要求1所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述引向器为若干个门形折线或蛇形曲线构成，且所述引向器可为对称结构或非对称结构。 

3.如权利要求1所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述增益调节器为一弯折线段或弧线段结构。 

4.如权利要求1所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述激励器的两臂振子为若干门形折线或蛇形曲线结构，且两臂振子可为对称结构或非对称结构。 

5.如权利要求1所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述调谐器为一弯折线段或弧线段结构。 

6.如权利要求1所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述馈电巴伦为微带结构的电磁耦合巴伦。 

7.如权利要求6所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述馈电巴伦正面为微带平行双线结构，其上端与两臂振子内侧连接，下端在大致四分之一波长位置处相互连接，所述馈电巴伦反面为微带线结构，其上端在馈电巴伦输出的位置折回，与 正面的微带平行双线构成一并联开路枝节，其下端与电缆接头的芯线连接。 

8.如权利要求1所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述反射器为若干个门形折线或蛇形曲线构成，且所述反射器可为对称结构或非对称结构。 

9.如权利要求8所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述反射器的中部与所述馈电巴伦的微带平行双线的下端相连。 

10.如权利要求1所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述电缆接头的外皮与反射器中部相连。 

11.如权利要求1-10任一项所述的一种小型宽带端射天线，其特征在于：所述引向器、增益调节器、激励器、调谐器、馈电巴伦、反射器可为平面结构或立体结构。 

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